3.3.1 Xác định đĩa nhạy cảm
Đĩa nhạy cảm là đĩa mà tại đó sự thay đổi nhiệt độ là lớn nhất và đối xứng khi cân bằng vật chất của tháp thay đổi. Nếu ta khống chế được nhiệt độ đĩa nhạy cảm thì ta sẽ khống chế được cân bằng vật chất tổng của tháp khống chế được điểm cắt.
Nguyên tắc để xác định đĩa nhạy cảm là cố định tỷ số hồi lưu và thay đổi lưu lượng sản phẩm đáy trong khoảng (-5% 5%). Xác định nhiệt độ của đĩa nào thay đổi nhiều nhất và đối xứng thì đó là đĩa nhạy cảm.
Trên monitor page, thay đổi tiêu chuẩn về lưu lượng sản phẩm đáy và giữ nguyên tỷ số hồi lưu.
Hình 3.2: Thay đổi về tiêu chuẩn trong tháp để xác định đĩa nhạy cảm
Thực hiện thay đổi kéo theo nhiệt độ của các đĩa cũng thay đổi, và mỗi lần thay đổi ta sẽ đưa số liệu thay đổi nhiệt độ từ Unisim qua Excel. Từ công cụ Excel ta xây dựng được đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của từng đĩa trong tháp khi có sự thay đổi cân bằng vật chất tổng như sau.
Hình 3.3: Đồ thị xác định đĩa nhạy cảm
Qua đồ thị ta xác định được đĩa nhạy cảm của tháp T-2101 là đĩa số 5
3.3.2 Quá trình chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái động
Hình 3.4: Thêm valve vào sơ đồ công nghệ
Xác định kích thước của các thiết bị
Xác định thể tích của bình ngưng tụ đỉnh tháp: Thể tích của bình ngưng tụ sao cho lưu được lượng lỏng trong thời gian 5 đến 15 phút và chiếm 50% thể tích bình.
Ta có: V = 218,4 / 60 * 15 * 2 = 72,8 (m3) Tương tự ta xác định được thể tích của Reboiler là 28 (m3) Tray sizing tháp T-2101
Các thông số quan trọng bao gồm: - Tray diameter (đường kính đĩa) - Weir length (chiều dài vách ngăn) - Weir height (chiều cao vách ngăn) - Tray spacing (khoảng cách giữa hai đĩa)
• Kết quả của quá trình sizing tháp T-2101:
Hình 3.5: Kết quả của quá trình Sizing tháp T-2101
Từ bảng trên ta xác định được các thông số chính của tháp như sau:
- Đường kính đĩa : 2,743 (m)
- Chiều dài vách ngăn : 2,4135 (m)
- Chiều cao vách ngăn : 50,8 (mm)
- Khoảng cách giữa 2 đĩa : 0,6096 (m)
Cài đặt lại các thông số cho bình tách, thiết bị đun sôi lại, tháp phân tách theo các số liệu mà ta sizing được. Đối với tháp chính T-2101 thì ta hiệu chỉnh lại áp suất tại đỉnh tháp và đáy tháp sao cho phù hợp với tổn thất áp suất trên mỗi đĩa theo kết quả sizing được.
3.3.3 Thiết lập các thiết bị điều khiển3.3.3.1 Điều khiển nhiệt độ đĩa nhạy cảm 3.3.3.1 Điều khiển nhiệt độ đĩa nhạy cảm
Khi nhiệt độ trong tháp thay đổi thì sẽ ảnh hưởng đến cân bằng vật chất trong tháp và chất lượng sản phẩm cũng thay đổi. Do đó ta phải sử dụng thiết bị điều khiển để khống chế nhiệt độ trong tháp không đổi thông qua việc khống chế nhiệt độ đĩa nhạy cảm để đảm bảo cân bằng vật chất trong tháp.
Nhiệt độ đĩa số 5 được điều khiển bằng cách điều khiển lượng nhiệt đun sôi đáy tháp:
Quá trình cài đặt như sau:
Trên Tab Conection ta thực hiện như sau:
Hình 3.6: Kết nối cho thiết bị điều khiển nhiệt độ đĩa số 5
• Process Variable Source: Nguồn cung cấp tín hiệu cho thiết bị điều khiển.
• Variable: Tín hiệu thay đổi mà thiết bị điều khiển ghi nhận.
Hình 3.7: Cài đặt các thông số cho thiết bị điều khiển nhiệt độ đĩa số 5
• PV (Process Variable): Giá trị thay đổi mà bộ điều khiển đo được.
• SP (Set point): Giá trị cài đặt cho thiết bị điểu khiển. Một thiết bị điểu khiển có thể nhận Set point bằng tay hoặc nhận trực tiếp từ một hay nhiều thiết bị điều khiển khác.
• Có hai tuỳ chọn cho Action của thiết bị điều khiển là Direct và Reverse. - Direct: Khi PV vượt lên trên SP thì OP tăng, khi PV tụt xuống dưới SP thì OP giảm.
- Reverse: Khi PV vượt lên trên SP thì OP giảm, khi PV tụt xuống dưới SP thì OP tăng.
• PV Minimum: Giá trị biến cực tiểu có thể ghi nhận và điểu khiển.
• PV Maximum: Giá trị biến cực đại có thể ghi nhận và điều khiển.
• Turning: Kiểu vận hành của van. Có 4 chế độ chính bao gồm Off (đóng), Man (điều khiển bằng tay), Auto (điều khiển tự động), Indicator (chỉ đóng vai trò là thiết bị hiển thị).
3.3.3.2 Điều khiển áp suất đỉnh tháp
Áp suất làm việc của tháp là một thông số rất quan trọng, trong quá trình vận hành phải đảm bảo ổn định áp suất cho tháp. Do đó ta cài đặt một thiết bị điều khiển để khống chế áp suất đỉnh tháp.
Quá trình cài đặt như sau:
Hình 3.8: Cài đặt thiết bị điều khiển áp suất đỉnh tháp
3.3.3.3 Điều khiển mức chất lỏng
Để đảm bảo cho bình tách ở đỉnh tháp và thiết bị đun sôi đáy tháp làm việc ổn định thì ta phải đảm bảo mức chất lỏng trong các thiết bị đó phải chiếm 50 % thể tích thiết bị. Do đó ta cài đặt thiết bị điều khiển mực chất lỏng trong các thiết bị đó.
Hình 3.9: Cài đặt thiết bị điều khiển mức cho Condenser
Thiết bị điều khiển mức chất lỏng cho Reboiler (Reb LC)
Hình 3.10: Cài đặt thiết bị điều khiển mức cho Reboiler
3.3.3.4 Điều khiển lưu lượng
Để theo dõi ảnh hưởng của biến nhiễu đến chất lượng sản phẩm cũng như cân bằng vật chất của tháp. Ta cài đặt một thiết bị điều khiển lưu lượng cho tháp để tạo ra biến nhiễu (là sự nhiễu về lưu lượng nguyên liệu).
Hình 3.11: Cài đặt thiết bị điều khiển lưu lượng nguyên liệu
Bảng 3.2: Tổng kết các thông số giá trị của bộ điều khiển
Action Mode PVmin PVmax Kc Ti Td
Stage 5 TC Reverse Auto 500C 800C 2 10 1
Top PC Direct Auto 15 kg/cm2g 25 kg/cm2g 2 10
Cond LC Direct Auto 10% 90% 2 10
Reb LC Direct Auto 10% 90% 2 5
Feed FC Reverse Auto 0 kg/h 100000 kg/h 0,5 0,5
3.3.4 Chuyển sang mô hình động
Sau khi đã cài đặt các thông số cho các thiết bị và thiết đặt các thiết bị điều khiển cùng với các thông số hoạt động của chúng ta chuyển sang mô hình trạng thái động bằng cách kích vào biểu tượng dynamic :
3.3.5 Thiết lập bảng tính toán cân bằng vật chất và Data book
Thiết lập bảng tính toán cân bằng vật chất cho tháp như sau: Đưa các thông số vào bảng tính toán:
Hình 3.12: Đưa các thông số vào bảng tính toán cân bằng vật chất
Hình 3.13:Thiết lập công thức và đưa ra kết quả trong bảng tính toán
Thiết lập Data Book
Các đại lượng chúng ta cần quan tâm ở đây là:
• Chất lượng sản phẩm được biểu hiện qua các thông số: Hàm lượng Propan trong sản phẩm đáy và hàm lượng n-C4 trong sản phẩm đỉnh
• Điều kiện làm việc của tháp biểu hiện qua thông số áp suất đỉnh tháp
• Lưu lượng sản phẩm của quá trình chưng cất
• Cân bằng vật chất của tháp biểu hiện qua tỷ lệ giữa lưu lượng sản phẩm đỉnh và lưu lượng sản phẩm đáy
Do đó ta sẽ đưa các thông số trên vào Data Book như sau:
Hình 3.14: Đưa các thông số và Data Book
Thiết lập các Strip Charts:
Hình 3.15: Thiết lập dữ liệu cho biểu đồ ảnh hưởng của biến nhiễu
3.3.6 Chạy mô phỏng động, xem kết quả và so sánh với kết quả mô phỏng tĩnh tĩnh
Bảng 3.3: So sánh kết quả giữa mô phỏng động và mô phỏng tĩnh Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy Đơn vị Tĩnh Động Sai số (%) Tĩnh Động Sai số(%)
Nhiệt độ C 50,87 50,55 0,63 110,40 109,60 0,72
Áp suất kg/cm2_g 20,00 20,00 0,00 20,50 20,19 1,51
Lưu lượng Kmol/h 650,40 651,40 0,15 870,60 870,10 0,06
Thành phần Ethane % mass 1,61 1,60 0,62 0,00 0,00 0,00 Propane 21,65 21,50 0,69 0,26 0,33 2,.21 Propene 72,49 72,45 0,06 0,32 0,30 6,25 i-Butane 1,90 2,23 14,80 28,60 28,41 0,66 n-Butane 0,22 0,20 9,09 11,60 11,61 0,09
Qua bảng so sánh ở trên ta thấy rằng nhiệt độ, áp suất, lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy giữa 2 quá trình tĩnh và động chênh lệch không đáng kể.
Về chất lượng sản phẩm chênh lệch cũng không đáng kể tuy nhiên đối với những thành phần chiếm tỷ lệ nhỏ thì sai số hơi lớn nhưng có thể chấp nhận được
Do vậy quá trình mô phỏng động của chúng ta hoàn toàn chấp nhận được.
3.3.7 Đánh giá ảnh hưởng của các biến nhiễu
Biểu đồ thể hiện chất lượng sản phẩm và cân bằng vật chất của tháp trước khi có biến nhiễu (biến nhiễu là sự thay đổi về lưu lượng nguyên liệu).
Hình 3.16: Chất lượng sản phẩm và cân bằng vật chất chưa ổn định
Hình 3.17: Chất lượng sản phẩm và cân bằng vật chất lúc ổn định
- Đường màu xanh da trời là hàm lượng C4 (% khối lượng) trong sản phẩm đỉnh - Đường màu xanh lá cây là hàm lượng C3 (% khối lượng) trong sản phẩm đáy - Đường màu đỏ là tỷ lệ giữa Distillate/ Bottom
Khi có biến nhiễu là sự thay đổi lưu lượng nguyên liệu (do ta tạo ra) thì ta có biểu đồ sau:
Hình 3.18: Xuất hiện biến nhiễu lúc chưa ổn định
Hình 3.19: Xuất hiện biến nhiễu lúc đã ổn định
Qua hai biểu đồ trên ta thấy rằng với sơ đồ điều khiển mà ta đưa ra ở trên khi biến nhiễu lớn thì chất lượng sản phẩm và cân bằng vật chất trong tháp vẫn chưa được đảm bảo. Do vậy chúng em thêm vào thiết bị điều khiển sớm để đảm bảo chất lượng sản phẩm cũng như cân bằng vật chất trong tháp luôn đảm bảo. Thiết bị được thêm vào như sau:
Hình 3.20: Cài đặt thông số cho thiết bị điều khiển sớm
Khi thêm thiết bị điều khiển sớm vào ta nhận được biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của biến nhiễu như sau:
Hình 3.22: Khi thêm thiết bị điều khiển sớm lúc đã ổn định
Hình 3.23: Sơ đồ điều khiển tháp tách Butane
CHƯƠNG 4:
THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU VẬN HÀNH THÁP TÁCH PROPYLEN 4.1 Cơ sở lý luận
Propylene là một nguồn nguyên liêu quan trọng trong công nghiệp hóa dầu. Nguồn cung cấp Propylene chủ yếu là phân đoạn C3 của phân xưởng FCC trong nhà máy lọc dầu. Phân đoạn C3 sau khi đã được tách C2- và C4+ sẽ còn lại hai thành phần chủ yếu là Propane và Propylene. Muốn thu được Propylene có độ tinh khiết cao thì ta cần tiếp tục phân tách Propane ra khỏi Propylene bằng một tháp chưng cất.
Như đã được biết thì mục đích của quá trình chưng cất là thu được sản phẩm lỏng có độ tinh khiết cao đáp ứng được yêu cầu của thực tế. Tháp phân tách Propylene cũng không ngoại lệ, mục đích của ta là phải thu được sản phẩm Propylene lỏng ở đỉnh có độ tinh khiết cao.
Do đó để phân tách Propane ra khoải Propylene ta sử dụng một tháp chưng cất có thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp. Nếu ta sử dụng tách nhân lạnh rẻ tiền như nước hay không khí để ngưng tụ đỉnh tháp thì nhiệt độ tối thiểu của bình ngưng tụ là 400C, ở nhiệt độ này muốn ngưng tụ được Propylene thì áp suất bình ngưng tụ khoảng 15 đến 16 bar. Do vậy áp suất làm việc của tháp khoảng 15,5 đến 16,5 bar, muốn đạt được sản phẩm Propylene có độ tinh khiết cao thì ta cần sử dụng tháp có số đĩa cao hoặc có tỷ số hồi lưu lớn. Với áp suất làm việc cao như vậy mà thiết kế tháp có số đĩa lớn thì chi phi sẽ rất lớn.
Trong trường hợp này ta chọn giải pháp là giảm áp suất làm việc cho tháp để giảm chi phí thiết kế tháp. Tuy nhiên trong trường hợp này thì nhiệt độ tại bình ngưng tụ sẽ tháp xuống khi đó tác nhân lạnh mà ta sử dụng để ngưng tụ đỉnh tháp không thể là nước hay không khí được mà phải là một tác nhân làm lạnh sâu hơn (đắc tiền hơn nhiều) như Propane… Tuy nhiên ta vẫn có thể sử dụng tác nhân lạnh là không khí hoặc nước thay vì phải sử dụng tác nhân lạnh đắc tiền bằng cách sử dụng thêm một hệ thống máy nén và thiết bị trao đổi nhiệt. Ta sẽ mô phỏng và so sánh hai qua trình trên để tìm ra phương pháp tối ưu nhất.
4.2 Tính toán và mô phỏng tĩnh tháp tách Propylene
được tham khảo trong tài liệu của phân xưởng FCC trong nhà máy lọc dầu Dung Quất.
Với nguồn nguyên liệu trên ta sử dụng công cụ Shortcut trong phần mềm Unisim để xác định số đĩa của tháp chưng cất.
Điều kiện vận hành của tháp: Áp suất đỉnh : 16,2 (kg/cm2)
Áp suất đáy : 17,2 (kg/cm2) (giả thiết tổn thất áp suất trong toàn tháp là 1 kg/cm2)
Tỷ số hồi lưu : 13,5 (tham khảo số liệu nhà máy lọc dầu – tỷ số này có thể thay đổi trong mô phỏng để đạt được hiệu quả tối ưu)
Tiêu chuẩn sản phẩm đỉnh và đáy tham khảo số liệu nhà máy lọc dầu Phần mol của Propylene ở đáy tháp là: 0,0449
Phần mol của Propane ở đỉnh tháp là: 0,0037 Mô hình nhiệt động sử dụng để mô phỏng là SRK
Mô hình mô phỏng:
Hình 4.1: Sử dụng công cụ Shortcut để xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu
Kết quả mô phỏng:
Hình 4.2: Kết quả của Shortcut
Sau khi sử dụng công cụ Shortcut ta xác định được các thông số sau: - Số đĩa lý thuyết : 167 (đĩa)
- Đĩa nạp liệu : đĩa số 106 - Nhiệt độ Condenser : 40,630C - Nhiệt độ Reboiler : 55,210C
Mô phỏng lại tháp phân tách với số đĩa và đĩa nạp liệu mà Shortcut đề nghị Mô hình mô phỏng:
Kết quả mô phỏng:
Hình 4.5: Kết quả mô phỏng theo đề nghị của Shortcut
Sau khi mô phỏng tháp phân tách theo đề nghị của Shortcut ta thấy chất lượng sản phẩm đã được đảm bảo theo yêu cầu.
Tuy nhiên nếu thiết kế tháp tách như trên thì rất tốn chi phí vì áp suất làm việc lớn và số đĩa trong tháp nhiều.
Do vậy ta sẽ giảm áp suất làm việc xuống để giảm chi phí thiết kế tháp. Nhưng giảm áp suất vận hành của tháp xuống còn bao nhiêu thì ta phải lựa chọn cho phù hợp. Việc lựa chọn này phụ thuộc vào tác nhân lạnh mà ta sử dụng để ngưng tụ đỉnh tháp. Với dự định sử dụng tác nhân lạnh là Propane lỏng (tác nhân lạnh rẻ trong những tác nhân lạnh đắc tiền) thì áp suất ta lựa chọn để giảm xuống là 9 (kg/cm2g). Ta sẽ mô phỏng lại tháp với áp suất đỉnh là 9 (kg/cm2g) và áp suất đáy là 10 (kg/cm2g), các điều kiện khác thì vẫn giữ nguyên như trường hợp trên.
Sau khi mô phỏng ta có kết quả như sau:
Hình 4.6: Kết quả mô phỏng tháp khi hạ áp suất vận hành
Trong điều kiện vận hành của tháp như thế này thì chỉ số hồi lưu giảm nhiều so với trường hợp trên tuy nhiên nhiệt độ đỉnh tháp cũng giảm xuống còn khoảng 18.50C. Như đã nói ở trên ở nhiệt độ này muốn ngưng tụ được Propylene ta phải sử dụng tác nhân làm lạnh sâu là Propane (đắt tiền hơn nước hay không khí). Tuy nhiên ta vẫn có thể sử dụng tác nhân làm lạnh là không khí để ngưng tụ dòng sản phẩm Propylene ở đỉnh tháp bằng cách sử dụng một máy nén để nâng áp dòng sản phẩm đỉnh lên 16 đến 17 (kg/cm2g).